1. Изменение свойств почв и грунтов в условиях городской среды (обзор литературы)

1. . Опыт изучения путей поступления загрязняющих веществ и изменения свойств почв урбанизированных территорий

Городские почвы - это почвы городских территорий, имеющие созданный человеком поверхностный слой мощностью более 50 см, полученный перемешиванием, погребением или загрязнением естественной природной почвы непочвенными материалами и привозным органосодержащим грунтом [4].

Городские почвы представляют собой особые объекты, на формирование которых оказывают влияние как природные факторы почвообразования, так и антропогенное воздействие. Особенность загрязнения городских почв крупных промышленных городов состоит в том, что на относительно небольшой площади сконцентрировано большое количество различных источников загрязнения (промышленные предприятия, транспорт, бытовые отходы). Это обусловливает разную интенсивность поступления и неоднородность состава загрязняющих почву веществ, обязательными компонентами которых являются соединения тяжёлых металлов (ТМ) [5, 6].

В то время как загрязнение воздуха и воды можно заметить или обнаружить, загрязнение почвы может оставаться скрытым в течение длительного времени. Как правило, люди не входят с почвой в такой тесный контакт, как с воздухом и водой; почва непрозрачна, в большинстве случаев обладает значительным буферным действием, что позволяет загрязнениям оставаться незамеченными в течение длительного времени [7].

Одним из опасных последствий загрязнения почв городских территорий является отравление почвенных организмов и растительности, которое возникает при концентрировании в верхних горизонтах почв антропогенных загрязнителей (тяжелых металлов, радионуклидов, органических соединений), а также продуктов жизнедеятельности почвенной микрофлоры.

Различные загрязнения антропогенного происхождения можно разделить по способу поступления их в почву:

1. С атмосферными осадками.

В сухую погоду газообразные компоненты выбросов могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влажной. Многие химические соединения, попадающие в атмосферу, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками выпадают в почву. Выделяющиеся диоксид серы (SO₂) и оксиды азота (NО_x) трансформируются в атмосфере, образуя растворы кислот, которые и понижают рН атмосферных осадков. Эти вещества выбрасываются в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций и автомобильным транспортом.

Загрязнение почв через атмосферу возможно любыми веществами, поступающими из заводских труб.

2. Осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей.

Твёрдые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей. Аэрозоли содержат различные химические элементы, включая тяжелые металлы. Такие загрязнения можно наблюдать визуально. Все эти вещества в конечном итоге оседают на почвы, на растительность и в природные воды. С растительности вещества-загрязнители могут смываться дождями на поверхность почв. В итоге основная масса веществ загрязнителей оказывается на почвах, может проникать в нижние горизонты [2].Автомобили, особенно в городах и около дорог, вносят значительную лепту в пополнение почвенных загрязнений. Городские почвы обогащены сажей (до 5%, вместо нормальных 2-3%) [1].

3. С растительным опадом.

Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают опять-таки в почву.

4. С мусором, отвалами.

В эту группу входят как твёрдые, так и жидкие вещества, не слишком вредные для организма человека, но засоряющие поверхность почвы, затрудняющие рост растений на этой площади [5].

Из городских отходов в почву попадают остатки различных стройматериалов, дерево и продукты его переработки, стекло, пластик, асфальт, металл, бумага, другие органические и минеральные загрязнители.

Одним из основных источников загрязнения признан автотранспорт. Специалисты насчитывают в выхлопных газах около 40 химических веществ, большинство которых токсичны. Особенно много токсичного свинца, его следы находят на расстоянии более 100 метров от автомагистрали.

На территории городов почвы подвергаются загрязнению, которое можно подразделить на механическое, химическое, радиационное и биологическое.

Механическое загрязнение заключается в засорении почв крупнообломочным материалом в виде строительного мусора, битого стекла, керамики и других относительно инертных отходов. Это оказывает неблагоприятное влияние на механические свойства почв.

Химическое загрязнение почв связано с проникновением в них веществ, изменяющих естественную концентрацию химических элементов до уровня, превышающего норму, следствием чего является изменение физико-химических свойств почв. Этот вид их загрязнения является наиболее распространенным, долговременным и опасным.

Основными загрязнителями городских почв являются тяжелые металлы, хлориды, нефтепродукты, радионуклиды, оксиды азота, углерода, сернистый газ [2, 6, 8].

Биологическое загрязнение связано с привнесением в почвенную среду и размножением в ней опасных для человека организмов. Бактериологические, гельминтологические и энтомологические показатели состояния почв городских территорий определяют уровень их эпидемиологической опасности.

Радиационное загрязнение почв – это превышение естественного уровня содержания в ней радиоактивных веществ [6].

Изучение почвоведами городских территорий достаточно молодое направление, но уже более ста лет назад Докучаев В. В. обратил внимание на необходимость исследований почв Санкт-Петербурга и других городов России.

Исследованию проблемы загрязнения городских почв уже давно уделяется большое внимание за рубежом, в частности, в США и Германии. В России изучение городских почв стало актуальным лишь в последние десятилетия. К настоящему времени накопилось уже немало данных, касающихся изучения особенностей загрязнения и изменения основных свойств городских почв, однако эти сведения носят разрозненный и фрагментарный характер. Комплексные и систематические исследования почвенного покрова урбоэкосистем проводятся пока только в Московской агломерации [4, 8], Санкт-Петербурге и Нижнем Новгороде [9].

О химическом и агрохимическом состоянии городских почв в современной литературе имеется большое число данных [10, 11, 12, 13, 14, 15], но их классификации, функций, вопросов морфологического строения касаются лишь единичные исследования [4, 16, 17, 18, 19]. Остаются мало разработанными вопросы выделения, диагностики и классификации нарушенных и вновь образованных слоев и почвенных горизонтов. В одних публикациях указывается мощность нарушенного слоя и качественные и количественные их характеристики без указания символа горизонта [17, 20], в других — их обозначают традиционными символами, применяемыми к природным почвам, с каким-либо знаком.

По основным химическим показателям почвы города значительно отличаются от своих природных аналогов, что было показано многими авторами (табл. 1) [4, 8, 17, 18].

Величина кислотности корнеобитаемого слоя городских почв колеблется в широких пределах, но преобладают почвы с нейтральной и слабощелочной средой [12, 14, 17].

Содержание органического углерода разнообразно и зависит от богатства органическим веществом того субстрата, из которого они образовались, а также от применения органоминеральных удобрений и т. д. Как правило, количество органического вещества в городских почвах выше, чем в фоновых почвах.

В почвах скверов, парков, огородов содержание гумуса достигает 8-12%, а в среднем 4-6% [11, 12, 14, 21].

Таблица 1

Сравнительная характеристика свойств почв г. Москвы и дерново-подзолистых почв Подмосковья (поверхностные горизонты) [8]

Свойства	Урбаноземы	Дерново-подзолистые
С орг., %	2-7	1-2
рН вод.	до 8	4,5-6,5
Са2+, мг-экв/100 г почвы	5-100	5-10
Мg2+, мг-экв/100 г почвы	до 30	2-3
Ёмкость поглощения, мг-экв/100г	до 30	10-12
Степеньнасыщенности основаниями, %	до 100	60-70
P2O5 мг/100 г почвы	5-150	5-10
К2О, мг/100 г почвы	2-60	7-15
S042-, мг/l00 г почвы	до 220	нет
CI-, мг/100 г почвы	до 40	нет
NO3-. мг/100 г почвы	12-15	нет
Тяжелые металлы	выше ПДК	фоновое значение

Очень важным критерием химического преобразования почв города является степень насыщенности основаниями. Во многих случаях она превышает 80%, доходя до 100% [11]. Для почв большинства парков и городских лесов она обычно составляет 60% и меньше. В составе обменных катионов преобладают Са²⁺ (до 70%) и Мg²⁺ (до 30%) [14].

Элементы питания растений (N, Р, К) в городских почвах распределяются неравномерно. Большинство исследователей отмечают высокую обогащенность насыпных слоев и слабо нарушенных почв общим азотом, фосфором и калием по сравнению с природными почвами пригородов [10, 12, 14, 21]. В них же отмечается обогащенность и подвижными формами элементов.

Начиная с 60-х годов, экологов-урбанистов и почвоведов в разных странах интересует проблема загрязнения городских почв тяжелыми металлами (микроэлементами). Можно сказать, что этот вид загрязнения почв наиболее изучаем, так как почти каждая публикация, посвященная городским почвам, содержит сведения о загрязнении микроэлементами.

На анализе техногенных потоков загрязняющих веществ, трансформации природной среды, устойчивости природно-антропогенных ландшафтов к загрязнению основана геохимическая систематика ландшафтов внутри городов [8].

В настоящее время для многих крупных городов мира составлены картосхемы и кадастры загрязнения тяжелыми металлами. Установлено, что тяжелые металлы поступают в почву в основном из воздуха, при этом наиболее распространенными является загрязнение такими элементами как Pb, As, Си, Zn, Cd, Ni, Hg[15, 22].

По данным Росгидромета, за период осуществления мониторинга загрязнения почв токсикантами промышленного происхождения, обследованы районы с развитыми отраслями промышленности и частично прилегающие к ним фоновые районы. Обследованы почвы вокруг 220 населенных пунктов на содержание в них тяжелых металлов, нефтепродуктов, фторидов, сульфатов, нитритов, бенз[а]пирена. Площадь обследования вокруг отдельных источников промышленных выбросов достигала 25,0 тыс. км². Оценка загрязнения почв, проводимая по обобщенному параметру, рассчитанному по среднему содержанию тяжелых металлов в 5-км зоне вокруг населенного пункта, показала, что к чрезвычайно опасной катего­рии относятся 0,5 % почв вокруг городов: Мончегорска, Норильска, Кировограда, к опасной категории - 3,5 % почв (города Реж, Рудной Пристани, Подольска, Белово, поселка Горняк), к умеренно опасной категории - 8,5 % почв (почвы Свирска, Екатеринбурга, Москвы, Гремячево, Чехова, Верхней Пышмы, Березовского, Алапаевска, Ревды, Нижнего Тагила, Иваново, Владивостока, Нижнего Новгорода [23].

Актуальным является изучение загрязнения почв бенз[а]пиреном. Так, в 2002-2005 гг. в НИиПИ экологии города (г. Москва) было проанализировано более 10300 проб почв (грунтов), отобранных при проведении комплексных инженерно-экологических изысканий территорий проектируемого строительства. Установлено, что более 50 % проб почв содержат 3,4-бенз(а)пирена выше ПДК, из них 22 % имеют опасную и чрезвычайно опасную категорию загрязнения [2].

Немаловажна проблема загрязнения почв антропогенными материалами, включения которых чрезвычайно сильно влияют на все по­чвенные свойства, ограничивая площадь возможного проникновения корней и распространения микроорганизмов и уменьшая водоудерживающую способность почв. Кальцийсодержащий строительный мусор, пыль, цементная крошка и подобные материалы способствуют подщелачиванию, а разложение других субстратов (пластика и пр.) ведет к высвобождению токсичных веществ и газов, которые замещают кислород в почвенном воздухе [8].

Большое внимание исследователи уделяют загрязнению почв вдоль дорог противогололедными соединениями. С начала 70-х годов в странах Западной Европы проводятся регулярные исследования влияния на свойства почв NaCl, СаСl₂ и Са(NO₃)₂, которыми посыпают дороги в зимнее время.

Накопление солей в почве наблюдается на расстоянии 100 м от дороги, но существенным оно бывает на расстоянии первых 5-10 метров. Максимум содержания солей приходится на раннюю весну, минимум на сентябрь-октябрь. К осени натрий перемещается из поверхностного горизонта (0-5 см) в более глубокие слои, хлор же совсем вымывается. На расстоянии 10 м от до­роги (при десятилетней ее эксплуатации) натрий накапливается в количестве 50-70 мг/кг. Посыпание дорог солью ведет к усилению диспергирования, ухудшению влагопроводности и аэрации почв [8, 24].

Ряд исследователей считает, что одним из перспективных подходов к оценке экологического состояния городской среды является биоиндикация, т.к. она обеспечивает, по их мнению, получение комплексной информации о состоянии среды. Однако, далеко не всегда выводы, сделанные на основании биоиндикационных и физико-химических (опирающихся в своих оценках на нормативные показатели) исследований совпадают; кроме того, насколько нам известно, отсутствуют и работы по выявлению степени сопряженности биоиндикационных и медико-демографических оценок качества городской среды [25]. Работы, направленные на рассмотрение степени сопряжения биоиндикационных показателей не только с уровнем химического загрязнения среды, но и с антропогенным изменением других важных для живых организмов экологических факторов, единичны. Что же касается оценки состояния, процессов трансформации и формирования городских почв, то, несмотря на актуальность для геоэкологии этих исследований, работы в этом плане только начинаются.

Наблюдается интенсивная разработка теоретических основ учения о городских экосистемах и роли городских почв в формировании урбоэкосистем [8, 26], однако сведений об изменениях свойств почв, позволяющих лучше понять механизмы функционирования антропогенно измененных природных комплексов, недостаточно.

Так, Федоров И. Д. [27] предложил систему оценки состояния почв городских территорий и дал рекомендации по дальнейшему использованию каждой категории почв.

В настоящее время большинство исследований городских почв направлено на изучение состава и свойств тяжелых металлов и других токсикантов. Не менее важным является изучение содержание гумуса и водно-физических свойств, таких как плотность, водопроницаемость, порозность, гранулометрический состав.

Экологические функции почвы в условиях города менее всего нарушены на землях природно-рекреационного использования. В селитебных зонах все функции почв значительно ослаблены и нарушены. Урбаноземы на этих территориях нуждаются в постоянном проведении реабилитационных мероприятий. Экологические функции почв промышленных зон практически полностью подавлены [8].

Характерной особенностью антропогенно-измененных почв является возрастание биологической активности, как показателя одного из первых этапов нарушений экологических свойств почв. На начальных стадиях нарушений экосистемы микробное сообщество часто сохраняет способность сопротивляться отрицательному экологическому влиянию, что выражается в увеличении биохимической активности, дыхания и других показателей [8].

Однако, как показывают исследования, при дальнейшем усилении антропогенного пресса на микробное сообщество может наступать следующий этап реакции на урбанизацию, что выражается в падении уровня биологической активности почвы ниже контрольного [18].

При увеличении антропогенного загрязнения снижается самоочищающая способность почвы и биологическая активность за счет изменения структуры микробного ценоза, что с гигиенических позиций является крайне неблагоприятным фактором. Загрязненная (особенно органическим субстратом) почва, характерная для городских территорий, представляет благоприятную среду для сохранения жизнеспособных патогенных микроорганизмов, для яиц гельминтов и личинок насекомых, отдельные группы которых могут обусловить возникновение или передачу заболеваний различной этиологии [32].

Негативные последствия наиболее ярко видны в сильнозагрязненных городских почвах и заключаются в снижении метаболической активности клеток и накоплении опасных для человека (потенциально патогенных и аллергенных) бактерий, главным образом, энтеробактерий и родококков, свидетельствует о нарушении экологической функции почвы как «бактериального фильтра» и может представлять опасность для человека [36].При этом появляются виды и группы организмов, продуцирующих токсичные вещества, т.е. почва сама становится источником ядов [28]. Однако микробиологические свойства городских почв остаются недостаточно исследованными. В то же время важность изучения биологических свойств почв города определяется тем, что почва служит основным местом стока урбаногенных веществ, в частности и мутагенных. Преобразование и обезвреживание этих веществ зависит от состояния микробных сообществ почв [8].

В городских почвах формируются мико- и микробиотические сообщества, отличающиеся от природных зональных биогеоценозов по очень многим показателям: составу видов мико- и микробиоты, видовой структуре, сезонной динамике, по запасам почвенной биомассы и биоморфологической структуре. Например, дизельное топливо, попадающее в почву, отражается на структуре и численности микробиоты, участвующей в нитрификации, в результате чего цикл азота видоизменяется. Почвенная микробиота является чрезвычайно чувствительной к загрязнению почв тяжелыми металлами и радионуклидами, что отражается на эмиссии СО₂ из почвы, азотфиксации и дегидрогеназной активности микробиоты. Это позволяет использовать данные показатели как индикаторы антропогенного загрязнения почв тяжелыми металлами и радионуклидами [29].

Микробные сообщества почв города сохраняют некоторые природные экологические ниши и в то же время начинают осваивать возникшие новые микрозоны антропогенного характера, не свойственные данной почвенно-растительной зоне. Выявление микроорганизмов, качественно и количественно не свойственных исходной природной зоне, и их потенциально патогенных свойств составляет основу микробиологического мониторинга городской среды.

Показано, что внесение ТМ снижает численность актиномицетов и неспороносных бактерий, ингибирует биохимические показатели. Наиболее устойчивы к загрязнению ТМ грибы и спорообразующие бактерии. При накоплении в почве ТМ количество видов микроскопических грибов и целлюлозоразрушающих микроорганизмов снижается [30, 31, 32, 33, 34].

Наряду с численностью и составом микроорганизмов для оценки биогенности почв многие ученые используют показатели уровня активности ферментов, а также интенсивность выделения углекислого газа. Анализ изменений показателей биологической активности почв почти во всех работах выявил следующие результаты: средние на территории города значения каталазной, инвертазной и уреазной активности сообществ почвенных микроорганизмов во времени снижаются, а дегидрогеназная активность повышается [8, 30, 33, 35].

Улучшение условий жизни растений и почвенных микроорганизмов при оптимальной плотности почвы способствует повышению ферментативной активности. С увеличением плотности почвы активность гидролитических ферментов снижается, а окислительно-восстановительных возрастает. С одной стороны, это связано с неодинаковым отношением самих ферментов к изменению почвенных условий, и, с другой, - микроорганизмов - основных продуцентов ферментов в почве.

К числу общих закономерностей процесса урбанизации относится также подщелачивание почв в результате оседания известковой пыли и, как следствие, увеличение численности щелочелюбивых микроорганизмов, например, таких как азотобактер, актиномицеты, некоторые бациллы и др. [8]. Это является характерным показателем урбаногенных процессов. Одновременно увеличение количества актиномицетов может сопровождаться и усилением минерализационных процессов в урбаноземах [36]. Также в связи с накоплением легкорастворимых NaCl, КCl на городской территории и их попаданием в почву, в урбаноземах возрастает популяция галотолерантных бактерий, способных интенсивно развиваться при концентрации раствора NaCl более 20% [37].

Таким образом, в городской среде формируются специфические, отличные от природных как бактериальные, так и грибные комплексы, в составе которых существенную долю занимают виды, характерные для местообитаний более южных регионов.

Изучение микробиологического комплекса городских почв представляется достаточно актуальным как с точки зрения получения представлений о составе комплекса, что позволяет охарактеризовать участие его в экологических функциях городских почв, так и с точки зрения индикации различных городских загрязнений, что имеет важное практическое значение [29, 36, 38].